Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spritzgussmaschine für Plastikmaterial. Solche Spritzgussmaschinen dienen zum Kneten des geschmolzenen Plastikmaterials bei einem gewünschten Kompressionsverhältnis, wobei ohne Verwendung eines Rückschlagventils das Zurückfliessen verhindert wird.
Die an sich bekannte Spritzgussmaschine mit Reihenspindel hat den Vorteil, dass das Plastikmaterial zugeführt, geknetet, dosiert und mittels einer einzigen Spindel eingespritzt wird. Eine solche Maschine ist so ausgebildet, dass sie das Zurückfliessen während dem Einspritzen verhindert. Die meisten Maschinen jedoch sind in dieser Hinsicht nicht wirkungsvoll. Zur Zeit werden Ringventile verwendet, um das Zurückfliessen des Rohmaterials zu verhindern. Ein solches Ringventil kann jedoch häufig nicht schnell genug in die Schliessstellung gebracht werden, um das Zurückfliessen des Rohmaterials zu stoppen.
Daher ist die eingespritzte Quantität ungleich, so dass fehlerhafte Produkte entstehen. Überdies entsteht auf der Oberfläche, auf welcher das Ringventil mit dem drehenden Gewindestab in Berühtung kommt, oft ein hoher Druck, so dass die genannte Oberfläche des Ringventils abgenutzt wird und daher die Wirkung der Einspritzung beeinträchtigt. Zudem bleibt das geschmolzene Rohmaterial in einem solchen Ringventil gerne hängen und wird oft zersetzt, so dass das Erzeugnis gefärbt wird, was im Falle von durchsichtigen Erzeugnissen sehr unerwünscht ist.
Da ein einzelner Gewindestab sein eigenes vorbestimmtes Kompressionsverhältnis in dem Abschnitt haben soll, wo er das Rohmaterial zusammenpresst, muss er oft ausgewechselt werden. Das Entfernen und Wiedereinpassen eines Stabes erfordert viel Zeit und Arbeit, da doch für jedes Rohmaterial ein entsprechendes Kompressionsverhältnis gefordert wird. Die vorliegende Erfindung überwindet nun die oben genannten Nachteile.
Zweck der Erfindung ist es, eine Maschine zu schaffen, welche ein veränderliches Kompressionsverhältnis ermöglicht, welchem das Rohmaterial während dem Kneten unterworfen wird. Dabei muss kein Gewindestab ausgewechselt werden, da der verwendete Stab so konstruiert ist, dass er ein Zurückfliessen während dem Einspritzen verhindert. Weiterhin braucht es kein Rückschlagventil, in welchem gerne geschmolzenes Material hängen bleibt.
Ein weiterer Zweck der Erfindung ist die Schaffung einer Maschine, welche einfach zu konstruieren und leicht zu bedienen ist, indem ein Ringventil weggelassen ist und ein neuartiger Gewindestab und neuartige Zuführmittel verwendet werden können.
Mit der Erfindung wird weiterhin die Schaffung einer Maschine mit einem Gewindestab bezweckt, welcher im wesentlichen eine kleine Rillentiefe und eine genügende Länge aufweist, um einerseits das Zurückfliessen des geschmolzenen Plastikgutes zu verhindern und anderseits einen genügend guten Kneteffekt hervorzubringen, so dass eine Materialsorte mit einer andern oder mit Pigmenten vollständig vermischt werden kann.
Die erfindungsgemässe Spritzgussmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass sie einen im Heizzylinder drehbaren und hin und her bewegbaren Stab mit einem Gewinde besitzt, welches im wesentlichen eine kleine Rillentiefe und eine mit der Dosierungszone koordinierende Länge hat, so dass ein Rückwärtsfliessen des geschmolzenen Plastikmaterials verhindert wird, und dass sie Zufuhrmittel aufweist, um Rohmaterial einstellbar zum Gewindestab zu fördern, wobei die Zùfuhrrate desselben steuerbar ist.
Die Vorteile der Erfindung sind folgende:
1. Die erforderliche Antriebskraft für die Gewindestange wird verkleinert, indem die Zufuhr des Rohmaterials geregelt wird, wobei zugleich das Zurückfliessen des geschmolzenen plastischen Materials verhindert wird, und indem eine hohe Einspritzwirkung erhalten wird, da der Gewindestab im Bereiche der Dosierzone eine im wesentlichen kleine Gewindetiefe besitzt. Dazu wird kein Ringventil am Gewindestab benötigt und das Kompressionsverhältnis für das Rohmaterial ist verstellbar, so dass man Spritzgussprodukte von hervorragender Eigenschaft erhält.
2. Das Gussprodukt wird nicht unregelmässig gefärbt, da das geschmolzene plastische Material genügend gut durchgeknetet wird, wenn es durch den engen Spalt in der Dosierungszone hindurchgeht.
3. Das Rohmaterial wird schnell geschmolzen, wenn sich die Gewindestange mit hoher Geschwindigkeit dreht und wenn die Zufuhr des Rohmaterials in regelmässiger Quantität erfolgt. Das Rohmaterial ist formlos und genügend plastisch, da es infolge Abscherwirkung während dem Passieren durch den engen Spalt erhitzt wird, so dass das Plastischwerden des Rohmaterials regelmässig erfolgt. Diese Eigenschaft des plastischen Materials war bis jetzt aufs Spiel gesetzt, da immer ein Verlust an effektiver Länge zwischen der Einführ öffnung und der Spitze der Gewindestange entstand.
Vorteilhaft ist auch der Umstand, dass an der Energie zum Plastischmachen gespart wird und dass die thermische Hysterese des Rohmaterials minimal gehalten wird, da nur das notwendige Rohmaterial in den Heizzylinder gebracht wird.
Nachfolgend wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Spritzgussmaschine beschrieben. In der Zeichnung zeigt: die Fig. 1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemässen Maschine, wobei ein Teil im Schnitt dargestellt ist, die Fig. 2 einen Längsschnitt eines im grösseren Massstab dargestellten Teiles der Maschine gemäss Fig. 1, die Fig. 3 eine Seitenansicht einer anderen Ausführungsform für die Zuführmittel, die Fig. 4 die gleiche Ansicht wie die Fig. 1, wobei die Maschine am Heizzylinder mit Kühlmittel versehen ist, die Fig. 5 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform für die Zuführmittel gemäss Fig. 1, die Fig. 6 eine Seitenansicht einer anderen Ausführungsform für die Zuführmittel gemäss Fig. 1, die Fig. 7 vergrössert eine Ansicht der Antreibemittel für die Speiseschnecke nach Fig. 6, die Fig. 8 einen Schnitt durch die Antreibemittel gemäss Fig.
7 und weiterhin zeigen die Fig. 9 und 10 graphische Darstellungen von Resultaten aus Experimenten, welche mit der erfindungsgemässen Maschine durchgeführt werden.
In der Zeichnung, insbesondere in der Fig. 1, ist mit 10 eine Spritzgussmaschine bezeichnet, welche einen Heizzylinder 1 und einen Gewindestab 2 besitzt, wobei der Stab im Zylinder drehbar und hin und her bewegbar montiert ist.
Bekanntlich weist der Gewindestab 2 eine Dosierzone, eine Kompressionszone und eine Zufuhrzone auf. Der Gewindestab ist mit einem Gewinde versehen, welches bezüglich der bekannten Gewindestäbe ein grosses Kompressionsverhältnis aufweist, beispielsweise grösser als 4:1. Die Gewindetiefe h ist im wesentlichen klein und beträgt beim aufgezeigten Ausführungsbeispiel 1 mm, siehe Fig. 2. Ein Wert von h wird dann für die Verhinderung des Zurückfliessens besser sein, wenn er kleiner ist. Jedoch kann der Wert von h wegen dem wachsenden Widerstand nicht übermässig klein gemacht werden, da sich das Rohmaterial beim Passieren am Gewinde erwärmen könnte. Der Gewindestab weist kein Ringventil auf, sondern ist hin und her bewegbar zwischen dem Kopfteil und Hinterteil des Zylinders eingelegt.
Um die Wirkung beim Einspritzen zu verbessern, muss das Zurückfliessen des Rohmaterials zur Zeit der Einspritzung verhin dert werden, indem die Gewindetiefe h in der Dosierungszone klein gemacht wird. Unabhängig vom Wert der Gewindetiefe h kann jedoch die Kraft K der Einspritzung mit dem Durchmesser D des Gewindestabes und mit der Länge L variiert werden. Ein optimaler Wert für h als Funktion von D und L kann mittels einer empirischen Formel errechnet werden, so dass eine Einspritzkraft K in einem bestimmten Bereich erhalten wird. Im Falle eines Newtonschen Flusses ist die Beziehung zwischen den Grössen h, D, L und Y (= 1-K) in der Hagen-Poiseuille-Gleichung ausgedrückt. Im Falle eines nicht-Newtonschen Flusses wird die Beziehung zwischen diesen Grössen durch das Kraftgesetz ausgedrückt, wenn K die Einspritzkraft ist.
Im Falle eines nicht-Newtonschen Flusses ändert sich ein Index in der Gleichung für das Kraftgesetzt bei verschiedenen Bedingungen.
Es wurde eine Formel, nämlich = a3w7#, angegeben, welche die Bedingung in der Nähe von g = 1 berücksichtigt.
Experimentelle Ergebnisse für die Beziehung zwischen h, L, D und# 11stimmen für a = 0,2 gut überein: h =0,23 wobei 0,01 < # < 0,1 ist, und die Masse für L, D und hin mm einzusetzen sind.
Die Einspritzkraft ist ohne Anwendung eines Rückschlagventils zufriedenstellend. Gewöhnlich ist r im Bereich von 0,01 < # 11 < 0,1 < 0,1 und L ist im Bereich von D < L < #3D.
Wie die Fig. 1 zeigt, ist ein Speisezylinder 3 für das Rohmaterial am Heizzylinder 1 angeordnet, wobei der Speisezylinder einen Gewindestab 4 zum Fördern des Rohmaterials aufweist. Die Speiseschnecke 4 ist mit einem Abschnitt 4B versehen, wobei die Rillenführung in entgegengesetztem Sinne angeordnet ist. 4A bezeichnet einen Teil des Gewindestabes, welcher zur Förderung des Rohmaterials dient. Dieser Teil hat eine entgegengesetzte Rillenführung 4B, wodurch gesichert ist, dass alles Rohmaterial in den Einspritzzylinder 1 fallen kann.
Weiterhin sind Öffnungen la und 3a am Einspritzzylinder 1 bzw. am Speisezylinder 3 angeordnet, so dass eine Passage 16 gebildet wird. Die Umdrehungszahl der Speiseschnecke 4 kann kontinuierlich mittels den Mitteln 5 verändert werden, welche die Geschwindigkeit kontinuierlich ändern. Die Speiseschnecke 4 wird zusammen mit dem Gewindestab 2 angetrieben, was aber in diesem Ausführungsbeispiel nicht gezeigt wird. Der Gewindestab 2 und die Förderschnecke 4 können unabhängig voneinander angetrieben werden, und die Zufuhr des Rohmaterials in den Injektionszylinder 1 kann in Abhängigkeit von der Belastung der Speiseschnecke 4 geregelt werden, wozu geeignete Kontrollmittel verwendet wer- den müssen. Weiterhin ist ein Trichter 6 zur Förderung des Rohmaterials auf dem Speisezylinder 3 angebracht.
Die graphischen Darstellungen in den Fig. 9 und 10 zeigen die Ergebnisse der Experimente, welche mit dieser Maschine durchgeführt wurden, wobei der Aussendurchmesser des Gewindestabes 2 40 mm war, und das Kompressionsverhältnis 4,4:1 betrug und die Gewindetiefe im Bereiche der Dosierzone des Stabes 1 mm betrug.
Die graphische Darstellung in der Fig. 9 zeigt die Beziehung zwischen der Drehzahl des Gewindestabes 2 und der Herstellungskapazität in kg pro Stunde, wobei das Rohmaterial mit einem gewöhnlichen Trichter in den Zylinder 1 gegeben wurde.
Die graphische Darstellung in der Fig. 10 zeigt die Beziehung zwischen der Umdrehunszahi des Gewindestabes 2 und dem Öldruck in kg pro cm2 in einem hydraulischen Motor, der den Gewindestab 2 antreibt, wobei der gleiche Gewindestab wie in Fig. 9 benutzt wurde. Die Kurve A zeigt den Fall, in welchem das Rohmaterial mit einem gewöhnlichen Trichter in den Zylinder 1 gegeben wurde. Die Kurve B zeigt den Fall, in welchem das Rohmaterial mit den neuen Zuführmitteln befördert wird. Die Kurve B kommt so zustande, dass die Umdrehungszahl des Gewindestabes 2 die gleiche bleibt wie bei der Fallspeisung, dass die Drehzahl der Speiseschnecke so eingestellt wird, dass die gleiche Masse wie bei der Fallspeisung hergestellt wird, und dass dann der Öldruck zum Antrieb der Gewindestange gemessen wird.
Wie die Fig. 10 zeigt, ist der Öldruck zum Antrieb der Gewindestange 2 an einem Punkt der Kurve B wesentlich kleiner als an einem entsprechenden Punkt auf der Kurve A, wobei der Motor mit der gleichen Drehzahl angetrieben wird und die gleiche Masse an Rohmaterial bei irgendeiner Drehzahl plastifizien wurde. Beispielsweise wird der öldruck 65 kg pro cm2 bei einer Umdrehungszahl von 300 pro Minute gemäss KurveB sein, während der Öldruck 80 kg pro cm2 bei der gleichen Umdrehungszahl gemäss Kurve A ist, was weiterhin zeigt, dass an der Arbeitsleistung zum Antrieb der Gewindestange 2 20% erspart wird.
Das Experiment zeigt deutlich, dass das zugeführte Rohmaterial unnötigerweise grösser ist, als bei der Fallspeisung, weshalb die gewöhnlichen Spritzgussmaschinen überaus viel Energie zum Antrieb der Gewindestange benötigen. In der Hinsicht kann an Antriebskraft eingespart werden, indem die Quantität des Rohmaterials optimal auf die Drehzahl des Gewindestabes während dem Plastifizieren abgestimmt wird. Ebenfalls wird ein notwendiger aber minimaler Betrag an Rohmaterial in den Heizzylinder gegeben, indem die Drehzahl der Speiseschnecke 4 justiert wird, wodurch die thermische Hysterese des Rohmaterials auf ein Minimum reduziert wird.
Bei einer solchen Maschine wird das Drehmoment zum Antreiben der Gewindestange wegen dem wachsenden Widerstand des Rohmaterials anwachsen, da die Gewindetiefe h im Bereiche der Dosierzone verhältnismässig klein ist, um ein Zurückiliessen des geschmolzenen Materials zu verhindern. Das geforderte Drehmoment jedoch wird am Ansteigen gehemmt, indem das Rohmaterial kontinuierlich zugeführt wird, so dass auf das gewöhnliche Ringventil verzichtet werden kann. Bis jetzt mussten verschiedene Faktoren bei einer solchen Maschine berücksichtigt werden, wie z. B.
der Einspritzdruck, die Einspritzgeschwindigkeit, die Drehzahl der Gewindestange, die Schmelztemperatur, die Zeit während welcher der Druck wirken soll, usw. Diese Faktoren können alle leicht mittels Druckknöpfen von Hand gesteuert werden. Nun ist es auch möglich, das Kompressionsverhältnis, bei we#lchem das geschmolzene Rohmaterial geknetet wird, als zusätzlichen Kontrollfaktor zu benutzen. Das Kompressionsverhältnis kann leicht durch Ändern der Drehzahl der Speiseschnecke 4 gesteuert werden.
Nun sollen die Mittel zum Ändern des Kompressionsverhältnisses näher beschrieben werden. Angenommen der Gewindestab 2 hat ein Kompressionsverhältnis von 4,4:1 und die Speiseschnecke hat den gleichen Durchmesser und die gleiche Gewindesteighöhe wie der Gewindestab 2 und die Drehzahl der Speiseschnecke 4 ist halb so gross wie diejenige des Gewindestabes 2, dann wird das Rohmaterial unter Ausnützung der halben Kapazität des Gewindestabes 2 in den Heizzylinder 1 fallen, worauf das Material zur Kompressionszone gelangt. Wenn das Rohmaterial im Bereiche der Zufuhrzone des Gewindestabes 2 gleich der Aufnahmekapazität ist, wird das Volumen um das 1/4,4fache verkleinert. Der Grad der Kompression wird verkleinert, d. h. das Rohmaterial kann um 1/2,2fach zusammengepresst werden, wenn die Menge des zugeführten Materials die Häfte der Kapazität der Zufuhrzone ist.
Bei dieser Maschine kann nun das Kompressionsverhältnis durch Verändern der Drehzahl der Speiseschnecke 4 gegenüber der Gewindestange 2 leicht verändert werden. Die Drehzahl der Speiseschnecke kann selbstverständlich ferngesteuert werden, indem Mittel 5 zum kontinuierlichen Ändern der Geschwindigkeit verwendet werden.
Wie die Fig. 3 zeigt, wird das Rohmaterial kontinuierlich in den Heizzylinder 1 gegeben, wobei Vibrationsmittel verwendet werden. Diese Speisemittel weisen einen Trichter 6 und eine Schüttelrinne 11 auf, welche mittels einem exzentrischen Nockenglied 12 um die Drehachse 13 schwenkbar sind.
In den Fig. 4 sind weiterhin Kühlmittel dargestellt, welche die vom Gewindestab 2 erzeugte Wärme absorbieren. Da die Gewindetiefe des Gewindestabes 2 im wesentlichen klein ist, wird der Widerstand des geschmolzenen plastischen Materials beträchtlich anwachsen, was infolge der Abscherwirkung zu einer Wärmeakkumulierung führt. Hohe Temperaturen können nicht gesteuert werden, wenn keine geeigneten Kühlmittel vorhanden sind, besonders dann nicht, wenn kontinuierlich gearbeitet wird und wenn das Material mit einem hohen Kompressionsverhältnis zusammengedrückt wird. Wie die Fig. 4 zeigt, sind mehrere kleine Gebläse 14 auf einem Tragelement 15 befestigt, welche direkt Luft auf den Zylinder
1 blasen. Der Heizzylinder 1 weist eine Anzahl von Heizelementen 1H auf.
Der Heizzylinder 1 kann auch mittels eines Wassermantels (nicht gezeigt) gekühlt werden oder der Gewindestab kann gekühlt werden, indem im Kühlstab eine Bohrung für das Kühlwasser vorgesehen wird. Zudem ist das Kühlsystem mit geeigneten automatischen Schaltern versehen, so dass das Gebläse automatisch eingeschaltet wird, wenn die Temperatur einen vorgeschriebenen Wert erreicht und ausgeschalten wird, wenn die Temperatur einen bestimmten Wert unterschreitet.
Die Fig. 5 zeigt eine andere Ausführungsform. Bei dieser Ausführungsform können zwei verschiedene Rohmaterialien über zwei verschiedene Trichter dem Gewindestab 2 zugeführt werden, so dass das Material unter der Wirkung von zwei koaxialen Gewindestäben gemischt wird. Da infolge der geringen Gewindetiefe h der Widerstand des Materials wächst, muss darauf geachtet werden, dass nicht mehr als nötig Rohmaterial zum Gewindestab 2 gefördert wird.
Die beiden Trichter 6A und 6B sind am Speisezylinder 3 befestigt, und die Speiseschnecke 4 ist drehbar in diesem Speisezylinder 3 gelagert. Die Speiseschnecke 4 ist unter dem Trichter 6A mit dem Gewinde 4A und unter dem Trichter 6B mit dem Gewinde 4B angeordnet, wobei die letzte Gewindeführung entgegengesetzt zum Gewinde 4A verläuft. Die Speiseschnecke 4 steht mit dem Gewindestab 2 in Wirkverbindung und wird von einem Paar von Zahnrädern 23, 22, von einer Achse 30, von ein Paar Rollen 21, 20 von einer Achse 50 und einem Paar von Zahnrädern 18 und 17 angetrieben. Das Zahnrad 23 ist drehfest mit der Achse des Gewindestabes 2 verbunden, während das Zahnrad 17 an der Achse der Speiseschnecke 4 befestigt ist. Die Zufuhröffnung
16 ist einerseits durch die Wand des Heizzylinders 1 und anderseits durch die Wand des Speisezylinders 3 geführt.
Die Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Spritzgussmaschine. Die Welle der Speiseschnecke 4 weist zwei konzentrische Wellen 100 und 101 auf. Die eine Welle
100 ist hohl, um eine Muffe über den verkleinerten Teil der andern Welle 101 zu bilden. Die Welle 100 ist mit dem
Gewindestab 2 in Wirkverbindung und wird in gleicher Art und Weise wie die Welle der Speiseschnecke 4 in Fig. 5 angetrieben. Die andere Welle 101 ist ebenfalls in Wirkverbindung mit dem Gewindestab 2 und wird über ein Paar Zahnräder 23, 22, über eine Welle 30, über ein Paar Rollen
29, 27, über eine Welle 51, über ein Paar Rollen 26, 31, über eine Achse 50, und über ein Paar von Zahnrädern 32, 25 angetrieben (siehe Fig. 7 und 8). Das Zahnrad 23 ist drehfest mit dem Gewindestab 2 verbunden, während das Zahnrad 25 an der Welle 101 befestigt ist.
Die Gewindeabschnitte der beiden Wellen 100 und 101 sind unter dem Trichter 6A bzw.
6B angeordnet, und können unabhängig voneinander bei einer gewünschten Drehzahl angetrieben werden. Die genannten Rollen 26 und 27 haben einen veränderlichen Durchmesser und sind auf einem Träger 60 montiert, und können bei verschiedenen Geschwindigkeiten durch Bewegen des Trägers 60 horizontal bewegt werden, wie das in den Fig. 7 und 8 zu sehen ist. Die Rolle 20 in der Fig. 5 ist ebenfalls vom gleichen Typ. Daher können beide Wellen 100 und 101 einzeln und bei verschiedener Geschwindigkeit angetrieben werden. Ebensfalls sind beide Wellen 100 und 101 vorzugsweise an zwei verschiedenen Kraftquellen angeschlossen.
Wenn die Maschine in Betrieb ist und zwei verschiedene Sorten Rohmaterialien eingespeist werden, wird das Rohmaterial entlang den Gewindekanälen beider Speiseschnecken getrieben, um dann zur Öffnung 16 zu gelangen und darauf in den Heizzylinder 1 zu fallen. Die beiden Rohmaterialien werden in der Dosierungszone am vorderen Teil des Gewindestabes zusammengemischt und genügend geknetet, und darauf wird das Material im vorderen Raum des Heizzylinders aufgespeichert. Wenn das gespeicherte Rohmaterial einen vorbestimmten Wert erreicht, wird es in die Ausnehmung einer metallischen Gussform eingespritzt, indem sich der Gewindestab nach vorwärts bewegt.
Wie beschrieben, kann das Kompressionsverhältnis des Gewindestabes so verändert werden, dass die Maschine mit optimalen Bedingungen arbeiten kann. So kann die Drehgeschwindigkeit des Gewindestabes verstellt werden, so dass eine bestimmte Menge von Rohmaterial eingeführt werden kann. Diese Maschine hat viele Vorteile, so erspart sie viel Arbeit und Platz, insbesondere wenn es sich um das Mischen zweier verschiedenen Rohmaterialien handelt, welche gleichzeitig verarbeitet werden sollen.
The present invention relates to an injection molding machine for plastic material. Such injection molding machines serve to knead the molten plastic material at a desired compression ratio while preventing back flow without using a check valve.
The injection molding machine known per se with a row spindle has the advantage that the plastic material is fed, kneaded, metered and injected using a single spindle. Such a machine is designed to prevent backflow during injection. Most machines, however, are ineffective in this regard. Ring valves are currently used to prevent the raw material from flowing back. However, such a ring valve often cannot be brought into the closed position quickly enough to stop the backflow of the raw material.
Therefore, the injected quantity is unequal, resulting in defective products. In addition, a high pressure often arises on the surface on which the ring valve comes into contact with the rotating threaded rod, so that said surface of the ring valve is worn and therefore the effect of the injection is impaired. In addition, the molten raw material tends to get stuck in such a ring valve and is often decomposed, so that the product is colored, which is very undesirable in the case of transparent products.
Since a single threaded rod is supposed to have its own predetermined compression ratio in the section where it compresses the raw material, it must often be replaced. Removing and re-fitting a rod takes a lot of time and labor, since a corresponding compression ratio is required for each raw material. The present invention now overcomes the disadvantages mentioned above.
The purpose of the invention is to provide a machine which enables a variable compression ratio to which the raw material is subjected during kneading. There is no need to change the threaded rod because the rod used is designed to prevent it from flowing back during injection. Furthermore, there is no need for a check valve in which molten material tends to get stuck.
Another purpose of the invention is to provide a machine which is simple to construct and easy to operate in that a ring valve is omitted and a novel threaded rod and feed means can be used.
The invention also aims to create a machine with a threaded rod which essentially has a small groove depth and a sufficient length to prevent the melted plastic material from flowing back on the one hand and to produce a sufficiently good kneading effect on the other hand, so that one type of material with another or can be completely mixed with pigments.
The injection molding machine according to the invention is characterized in that it has a rod which can be rotated and moved back and forth in the heating cylinder and has a thread which essentially has a small groove depth and a length coordinating with the metering zone, so that the molten plastic material is prevented from flowing backwards, and that it has feed means to feed raw material adjustably to the threaded rod, the feed rate of the same being controllable.
The advantages of the invention are as follows:
1. The required driving force for the threaded rod is reduced by regulating the feed of the raw material, at the same time preventing the melted plastic material from flowing back, and by obtaining a high injection effect, since the threaded rod has an essentially small thread depth in the area of the metering zone owns. There is no need for a ring valve on the threaded rod and the compression ratio for the raw material can be adjusted, so that injection-molded products with excellent properties are obtained.
2. The cast product is not colored irregularly, as the molten plastic material is kneaded sufficiently well when it passes through the narrow gap in the metering zone.
3. The raw material is melted quickly when the screw rod rotates at high speed and when the supply of the raw material is in regular quantity. The raw material is shapeless and sufficiently plastic, as it is heated by the shearing action while passing through the narrow gap, so that the raw material becomes plastic regularly. This property of the plastic material was put at risk until now, since there was always a loss of effective length between the insertion opening and the tip of the threaded rod.
Another advantage is the fact that the energy for plasticizing is saved and that the thermal hysteresis of the raw material is kept to a minimum, since only the raw material required is brought into the heating cylinder.
An exemplary embodiment of an injection molding machine according to the invention is described below with reference to the drawing. In the drawing: FIG. 1 shows a side view of a machine according to the invention, one part being shown in section, FIG. 2 a longitudinal section of a part of the machine according to FIG. 1 shown on a larger scale, FIG. 3 a side view of another Embodiment for the supply means, FIG. 4 shows the same view as FIG. 1, the machine being provided with coolant on the heating cylinder, FIG. 5 a side view of a further embodiment for the supply means according to FIG. 1, FIG. 6 a Side view of another embodiment for the feed means according to FIG. 1, FIG. 7 shows an enlarged view of the drive means for the feed screw according to FIG. 6, FIG. 8 shows a section through the drive means according to FIG.
7 and further, FIGS. 9 and 10 show graphic representations of results from experiments which are carried out with the machine according to the invention.
In the drawing, in particular in FIG. 1, 10 denotes an injection molding machine which has a heating cylinder 1 and a threaded rod 2, the rod being mounted in the cylinder so that it can rotate and move back and forth.
As is known, the threaded rod 2 has a metering zone, a compression zone and a feed zone. The threaded rod is provided with a thread which has a high compression ratio with respect to the known threaded rods, for example greater than 4: 1. The thread depth h is essentially small and in the exemplary embodiment shown is 1 mm, see FIG. 2. A value of h will then be better for preventing backflow if it is smaller. However, the value of h cannot be made excessively small because of the increasing resistance, since the raw material could heat up when passing the thread. The threaded rod does not have a ring valve, but is inserted between the head part and the rear part of the cylinder so that it can be moved back and forth.
In order to improve the effect of injection, the backflow of the raw material at the time of injection must be prevented by making the thread depth h in the metering zone small. Regardless of the value of the thread depth h, however, the force K of the injection can be varied with the diameter D of the threaded rod and with the length L. An optimal value for h as a function of D and L can be calculated using an empirical formula, so that an injection force K is obtained in a certain range. In the case of a Newtonian flux, the relationship between the quantities h, D, L and Y (= 1-K) is expressed in the Hagen-Poiseuille equation. In the case of a non-Newtonian flow, the relationship between these quantities is expressed by the law of force when K is the injection force.
In the case of a non-Newtonian flux, an index in the equation for the law of force changes under different conditions.
A formula was given, namely = a3w7 #, which takes into account the condition in the vicinity of g = 1.
Experimental results for the relationship between h, L, D and # 11 agree well for a = 0.2: h = 0.23 where 0.01 <# <0.1, and the mass for L, D and hin mm are to be used.
The injection force is satisfactory without using a check valve. Usually r is in the range of 0.01 <# 11 <0.1 <0.1 and L is in the range of D <L <# 3D.
As FIG. 1 shows, a feed cylinder 3 for the raw material is arranged on the heating cylinder 1, the feed cylinder having a threaded rod 4 for conveying the raw material. The feed screw 4 is provided with a section 4B, the groove guide being arranged in the opposite direction. 4A denotes a part of the threaded rod which is used to convey the raw material. This part has an opposing groove guide 4B, which ensures that all raw material can fall into the injection cylinder 1.
Furthermore, openings la and 3a are arranged on the injection cylinder 1 and on the feed cylinder 3, so that a passage 16 is formed. The number of revolutions of the feed screw 4 can be changed continuously by means of the means 5 which continuously change the speed. The feed screw 4 is driven together with the threaded rod 2, but this is not shown in this exemplary embodiment. The threaded rod 2 and the screw conveyor 4 can be driven independently of one another, and the feed of the raw material into the injection cylinder 1 can be regulated as a function of the load on the screw conveyor 4, for which purpose suitable control means must be used. Furthermore, a funnel 6 for conveying the raw material is attached to the feed cylinder 3.
The graphs in FIGS. 9 and 10 show the results of the experiments which were carried out with this machine, the outer diameter of the threaded rod 2 being 40 mm, the compression ratio being 4.4: 1 and the thread depth in the area of the metering zone Rod was 1 mm.
The graph in Fig. 9 shows the relationship between the number of revolutions of the screw rod 2 and the production capacity in kg per hour with the raw material being fed into the cylinder 1 with an ordinary hopper.
The graph in FIG. 10 shows the relationship between the number of revolutions of the screw rod 2 and the oil pressure in kg per cm 2 in a hydraulic motor driving the screw rod 2, the same screw rod as in FIG. 9 being used. Curve A shows the case where the raw material was put into the cylinder 1 with an ordinary hopper. The curve B shows the case in which the raw material is conveyed with the new feeding means. Curve B comes about in such a way that the number of revolutions of the threaded rod 2 remains the same as with the drop feed, that the speed of the feed screw is set so that the same mass is produced as with the drop feed, and that then the oil pressure to drive the threaded rod is measured.
As shown in Fig. 10, the oil pressure for driving the threaded rod 2 at one point on curve B is substantially lower than at a corresponding point on curve A, the motor being driven at the same speed and the same mass of raw material at any one Speed was plasticizing. For example, the oil pressure will be 65 kg per cm2 at a speed of rotation of 300 per minute according to curve B, while the oil pressure is 80 kg per cm2 at the same speed according to curve A, which further shows that 20% of the work required to drive the threaded rod 2 is saved.
The experiment clearly shows that the raw material fed in is unnecessarily larger than with the case feed, which is why conventional injection molding machines require a great deal of energy to drive the threaded rod. In this respect, drive power can be saved by optimally coordinating the quantity of the raw material with the speed of the threaded rod during plasticizing. Likewise, a necessary but minimal amount of raw material is added to the heating cylinder by adjusting the speed of the feed screw 4, whereby the thermal hysteresis of the raw material is reduced to a minimum.
In such a machine the torque for driving the threaded rod will increase because of the increasing resistance of the raw material, since the thread depth h in the area of the metering zone is relatively small in order to prevent the molten material from flowing back. The required torque, however, is restrained from increasing by continuously supplying the raw material, so that the usual ring valve can be dispensed with. Until now, various factors had to be taken into account with such a machine, such as: B.
the injection pressure, the injection speed, the speed of the threaded rod, the melting temperature, the time during which the pressure is to act, etc. These factors can all be easily controlled by hand using push buttons. Now it is also possible to use the compression ratio at which the molten raw material is kneaded as an additional control factor. The compression ratio can be easily controlled by changing the rotational speed of the feed screw 4.
The means for changing the compression ratio will now be described in more detail. Assuming the threaded rod 2 has a compression ratio of 4.4: 1 and the feed screw has the same diameter and the same thread pitch as the threaded rod 2 and the speed of the feed screw 4 is half as high as that of the threaded rod 2, then the raw material is being utilized half the capacity of the threaded rod 2 fall into the heating cylinder 1, whereupon the material arrives at the compression zone. If the raw material in the area of the feed zone of the threaded rod 2 is equal to the capacity, the volume is reduced by 1 / 4.4 times. The degree of compression is decreased, i.e. H. the raw material can be compressed by 1 / 2.2 times if the amount of material fed is half the capacity of the feed zone.
In this machine, the compression ratio can now be changed slightly by changing the speed of the feed screw 4 with respect to the threaded rod 2. The speed of rotation of the feed screw can of course be remotely controlled by using means 5 for continuously changing the speed.
As shown in Fig. 3, the raw material is continuously fed into the heating cylinder 1 using vibrating means. These feed means have a funnel 6 and a vibrating chute 11, which can be pivoted about the axis of rotation 13 by means of an eccentric cam member 12.
In FIG. 4, coolants are also shown which absorb the heat generated by the threaded rod 2. Since the thread depth of the threaded rod 2 is substantially small, the resistance of the molten plastic material will increase considerably, resulting in heat accumulation due to the shearing action. High temperatures cannot be controlled if there are no suitable coolants, especially if the work is continuous and the material is compressed at a high compression ratio. As FIG. 4 shows, several small fans 14 are attached to a support element 15, which direct air to the cylinder
1 blow. The heating cylinder 1 has a number of heating elements 1H.
The heating cylinder 1 can also be cooled by means of a water jacket (not shown) or the threaded rod can be cooled by providing a bore for the cooling water in the cooling rod. In addition, the cooling system is equipped with suitable automatic switches so that the fan is switched on automatically when the temperature reaches a prescribed value and switched off when the temperature falls below a certain value.
Fig. 5 shows another embodiment. In this embodiment, two different raw materials can be fed to the threaded rod 2 via two different funnels, so that the material is mixed under the action of two coaxial threaded rods. Since the resistance of the material increases due to the small thread depth h, it must be ensured that no more raw material than necessary is conveyed to the threaded rod 2.
The two funnels 6A and 6B are attached to the feed cylinder 3, and the feed screw 4 is rotatably supported in this feed cylinder 3. The feed screw 4 is arranged under the funnel 6A with the thread 4A and under the funnel 6B with the thread 4B, the last thread guide running opposite to the thread 4A. The feed screw 4 is in operative connection with the threaded rod 2 and is driven by a pair of gear wheels 23, 22, an axle 30, a pair of rollers 21, 20 of an axle 50 and a pair of gear wheels 18 and 17. The gear 23 is rotatably connected to the axis of the threaded rod 2, while the gear 17 is attached to the axis of the feed screw 4. The feed opening
16 is guided on the one hand through the wall of the heating cylinder 1 and on the other hand through the wall of the feed cylinder 3.
6 shows a further embodiment of an injection molding machine. The shaft of the feed screw 4 has two concentric shafts 100 and 101. The one wave
100 is hollow to form a sleeve over the reduced portion of the other shaft 101. The wave 100 is with the
The threaded rod 2 is operatively connected and is driven in the same way as the shaft of the feed screw 4 in FIG. 5. The other shaft 101 is also in operative connection with the threaded rod 2 and is via a pair of gears 23, 22, via a shaft 30, via a pair of rollers
29, 27, via a shaft 51, via a pair of rollers 26, 31, via an axle 50, and driven via a pair of gears 32, 25 (see FIGS. 7 and 8). The gear 23 is rotatably connected to the threaded rod 2, while the gear 25 is attached to the shaft 101.
The thread sections of the two shafts 100 and 101 are under the funnel 6A and 6 respectively.
6B, and can be driven independently at a desired speed. Said rollers 26 and 27 are of variable diameter and are mounted on a carrier 60 and can be moved horizontally at various speeds by moving the carrier 60, as can be seen in FIGS. The roller 20 in Fig. 5 is also of the same type. Therefore, both shafts 100 and 101 can be driven individually and at different speeds. Likewise, both shafts 100 and 101 are preferably connected to two different power sources.
When the machine is in operation and two different types of raw materials are fed in, the raw material is driven along the threaded channels of both feed screws in order to then reach the opening 16 and then fall into the heating cylinder 1. The two raw materials are mixed together in the metering zone at the front part of the threaded rod and kneaded sufficiently, and then the material is stored in the front space of the heating cylinder. When the stored raw material reaches a predetermined value, it is injected into the recess of a metal mold by moving the threaded rod forward.
As described, the compression ratio of the threaded rod can be changed so that the machine can operate under optimal conditions. The speed of rotation of the threaded rod can be adjusted so that a certain amount of raw material can be introduced. This machine has many advantages, so it saves a lot of work and space, especially when it comes to mixing two different raw materials that are to be processed at the same time.